JP4893652B2 - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＮＯｘセンサ等のガスセンサに接続され、同センサの出力から特定成分の濃度を検出するガスセンサ制御装置に関するものである。

近年、排ガス規制や燃費規制が益々強化される傾向にあり、例えば、ディーゼルエンジンのＮＯｘ排出量低減に関する技術や、ＮＯｘ浄化装置の異常検出に関する技術等が必要になってきている。また、ガソリンエンジンでも、燃費向上等を目的とするリーン域での燃焼拡大が実施されることに伴いＮＯｘ排出量が増大することから、ＮＯｘ排出抑制に関する技術やＮＯｘ浄化装置の異常検出に関する技術等が必要となる。こうした事情から、ＮＯｘセンサの需要が高まりつつある。なお、ＮＯｘセンサとしては、ジルコニア固体電解質を用いた多セル方式のセンサ素子が用いられている。

ところで、上記のＮＯｘセンサを含めガスセンサでは、当該ガスセンサの機能が正常であることを検出する必要があり、その検出項目としてセンサ素子の断線判定などがある。自動車用の排気センサでは、法規や規制等により断線判定が規定されている場合もある。ガスセンサの異常検出技術としては、例えばＡ／Ｆセンサを検出対象とし、素子インピーダンスに基づいてセンサ断線を検出するものがある。具体的には、インピーダンス検出時に印加電圧を掃引変化させた時の電流変化量、又はその際算出されるインピーダンス値に基づいて異常検出を実施する。素子インピーダンスに基づいて異常検出を実施することにより、仮にセンサ出力が「０」である場合にもそれが正常か異常かを判断できる。つまり、理論空燃比（ストイキ）を目標とする空燃比フィードバック制御が行われる場合には、センサ出力がほぼ「０」のまま保持されるが、かかる場合にも断線等の異常を検出できるようになっていた。

しかしながら、例えばＮＯｘ検出信号のような微弱電流を検出する回路では、その微弱電流の検出とインピーダンス検出とを同一回路にて実現する場合にＮＯｘ検出精度が低下するおそれがある。つまり、インピーダンス検出時の電流レベルはｍＡオーダであるのに対し、ＮＯｘ検出信号の電流レベルはｎＡオーダであり、その電流レベルは４，５桁程度相違する。したがって、ＮＯｘ電流検出とインピーダンス検出とを共に精度良く検出することは困難であり、ＮＯｘ濃度の検出精度低下が生じる。

また、検出回路においてＮＯｘ検出電流が流れる電流経路上にスイッチを設け、そのスイッチを開閉する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。かかる技術を用いれば、ＮＯｘ検出回路とインピーダンス検出回路とを適宜切り替えることができ、必要に応じた電流レベルの信号を取り出すことが可能となる。
特開２００５−３２６３８８号公報

しかしながら、上述したように検出回路においてＮＯｘ検出電流が流れる電流経路上にスイッチを設けた構成では、そのスイッチが原因でＮＯｘ電流検出に影響が及ぶことが懸念される。すなわち、例えばスイッチに半導体スイッチング素子を用いる場合、そのスイッチング素子には漏れ電流（リーク電流）が生じ、少ないもので数１０ｎＡとなる。このことから、ＮＯｘ濃度検出時のように微弱電流を計測する場合に計測誤差が生じるおそれがあり、改善の余地があると考えられる。

本発明は、ガス濃度検出精度への悪影響を抑制しつつ、活性不良や断線等の異常を適正に判定することができるガスセンサ制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明のガスセンサ制御装置は、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセンサ素子を備え、前記一対の電極間への電圧印加状態で被検出ガス中の特定成分の濃度に応じた素子電流を生じさせるガスセンサに接続されるものである。そして、本制御装置では、電流計測抵抗により素子電流が計測されるとともに、出力回路により、電流計測抵抗による素子電流の計測結果が素子電流計測値として出力される。さらに、印加電圧設定回路による電圧印加の状態で出力回路から出力される素子電流計測値により特定成分の濃度（酸素濃度、ＮＯｘ濃度等）が算出される。

また、第１の発明では、電流計測抵抗のセンサ側端子と印加電圧設定回路とを電気的に接続する電気経路において素子電流が流れない経路上にスイッチ手段（図４のスイッチ回路７１）が設けられており、スイッチ手段を閉じることで電流計測抵抗の両端電位差がゼロとされ、その状態でセンサ素子の起電力が検出される。そして、該検出された起電力に基づいてセンサ素子又はセンサ回路の異常判定が実施される。なお、素子電流計測値によるガス濃度検出の途中に一時的にスイッチ手段が閉じられ、起電力が検出されるとよい。

上記構成によれば、電流計測抵抗の両端電位差をゼロにすることにより、素子電流が流れない状態、すなわち素子電流≒０ｎＡの状態を作り出すことができ、センサ素子の起電力を好適に検出できる。このとき、センサ素子において破損や活性不良等の異常が発生していたりセンサ回路において断線等の異常が発生したりしていると、センサ起電力が適正値でなくなることから、センサ起電力に基づく異常判定が可能となる。

また本発明では、素子電流が流れない経路上にスイッチ手段が設けられているため、そのスイッチ手段、具体的にはトランジスタ等の半導体スイッチング素子によるリーク電流が原因で素子電流計測値に誤差が生じるといった不都合を回避できる。特に、ＮＯｘ検出電流など、微弱な素子電流を計測する場合には、スイッチ手段の存在が原因で電流計測値に誤差が生じると、ガス濃度検出への影響が大きなものとなるが、こうした不都合を回避できる。

以上本発明によれば、ガス濃度検出精度への悪影響を抑制しつつ、センサ断線等の異常を適正に判定することができる。

なお、電流計測抵抗の両端電位差が「ゼロ」となる状態とは、センサ素子に流れる電流が０ｎＡ又は略０ｎＡとなる状態に相当する。この場合、実際の回路構成では種々の回路素子等の存在により微小な電流が流れることがあり、厳密に「素子電流＝０ｎＡ」の状態とならないとも考えられるが、こうした回路構成上の要因で微小電流が流れる場合も電流計測抵抗の両端電位差が「ゼロ」となる状態に該当することとしている。

電流計測抵抗の両端電位差をゼロにするための構成として、第２の発明のように、スイッチ手段を閉じた状態で、電流計測抵抗のセンサ側端子電圧を印加電圧設定回路に対して帰還入力して当該設定回路の設定電圧を前記センサ側端子電圧と同電圧とするとよい。

センサ起電力の検出手法として、第３の発明のように、スイッチ手段を閉じた状態での電流計測抵抗のセンサ側端子電圧によりセンサ素子の起電力を検出するとよい。又は、第４の発明のように、スイッチ手段を閉じた状態でセンサ素子の正負両方の電極における電圧を計測し、それら電圧計測値の差によりセンサ素子の起電力を検出するとよい。

上記第３，第４の発明のいずれにおいてもセンサ起電力を好適に検出できる。ただし、第４の発明のようにセンサ素子の正負両電極における電圧計測値の差によりセンサ素子の起電力を検出することで、より正確に起電力を検出できる。

第５の発明では、電流計測抵抗のセンサ側端子がバイアス抵抗を介して基準電位部（例えばグランド）に接続されている。要するに、断線等の異常発生状態ではセンサ起電力が発生せず、回路出力が不定となる。この点、上記構成によれば、センサ起電力が発生しない状態でも、バイアス抵抗によって電流計測抵抗のセンサ側端子電圧が所定電圧に保持される。したがって、こうした起電力未発生の状態でも回路出力が安定し、異常値としてのセンサ起電力を検出できる。

第６の発明では、出力回路の出力を印加電圧設定回路に帰還入力させる第１帰還経路（図４の帰還入力経路Ｌ１）と、電流計測抵抗のセンサ側端子の電圧を印加電圧設定回路に帰還入力させる第２帰還経路（図４の帰還入力経路Ｌ２）とが設けられ、２つの帰還経路のうち第２帰還経路にスイッチ手段が設けられている。そして、通常の濃度検出時には、前記２つの帰還経路のうち第１帰還経路のみが導通状態とされ、その第１帰還経路を介して帰還入力される出力回路の出力に応じて印加電圧設定回路にて電圧設定が行われる。また、起電力検出時には、前記２つの帰還経路のうち第２帰還経路のみが導通状態とされ、その第２帰還経路を介して帰還入力される電流計測抵抗のセンサ側端子電圧に応じて印加電圧設定回路にて電圧設定が行われ、電流計測抵抗の両端電位差がゼロとされる。

上記構成によれば、印加電圧設定回路側への帰還経路を適宜切り替えることにより、ガス濃度検出を一時的に中断してセンサ起電力を検出することができる。

第７の発明では、電流計測抵抗のセンサ側端子と印加電圧設定回路とを電気的に接続する電気経路に電圧フォロア又は非反転増幅回路が設けられ、その電圧フォロア又は非反転増幅回路と印加電圧設定回路との間の経路上にスイッチ手段が設けられている。かかる場合、電圧フォロア又は非反転増幅回路の出力側には素子電流が流れないことから、電流計測抵抗のセンサ側端子と印加電圧設定回路との間の電気経路に、素子電流が流れない経路を設けることができる。そして、この経路にスイッチ手段が設けられることで、スイッチ手段による素子電流への悪影響を抑制できる。

第８の発明では、印加電圧設定回路は、負帰還部を有するオペアンプを備えて構成され、オペアンプの出力側であって前記負帰還部の外に電流計測抵抗が設けられている。上記構成によれば、電流計測抵抗の少なくとも反センサ側端子の電圧を計測することで素子電流が計測できる。また、オペアンプの出力端子電圧、すなわち電流計測抵抗の反センサ側端子の電圧を制御することができるため、その反センサ側端子電圧をセンサ側端子電圧に対して増減させることができ、言い換えれば、電流計測抵抗の両端電位差を制御することが可能となる。したがって、電流計測抵抗の両端電位差をゼロにすることが可能となる。

第９の発明では、センサ素子の各電極に接続される端子部の電圧をそれぞれ計測する端子電圧計測手段を備える。そして、センサ起電力による異常判定に加え、各端子電圧に基づいてセンサ素子又はセンサ回路の異常判定を実施する。これにより、センサ素子の破損や活性不良、断線等の異常以外に、センサ素子の各電極側の電源ショートやグランドショートの異常も検出できることとなる。

第１０の発明では、異常発生している旨判定された場合に、センサ素子への電圧印加を停止する電圧印加停止手段を備える。これにより、異常発生時に電圧印加を継続することによるセンサ素子への悪影響を抑制でき、ひいてはセンサ素子の保護を図ることができる。

第１１の発明のように、センサ素子が活性状態にあることを条件として起電力検出を実施するとよい。つまり、例えばセンサ始動時には、センサ素子が所定の活性温度まで上昇して活性完了した後においてセンサ起電力が適正に検出される。本発明によれば、センサ素子が未活性であること（素子温度が低いこと）に起因する起電力の検出不良を抑制できる。これにより、異常検出の精度を高めることができる。

本発明のガスセンサ制御装置は、以下のようなガスセンサに好適に適用される（第１２の発明）。すなわち、ガスセンサは、各々に固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とよりなる第１セル及び第２セルを有するセンサ素子を備え、ガス室内に導入した被検出ガス中の酸素量を第１セルで所定濃度レベルに調整するとともに第２セルで第１セルでの酸素量調整後のガスから特定成分の濃度（ＮＯｘ濃度等）を検出する。そして、ガスセンサ制御装置では、第２セルにて生じる素子電流を電流計測抵抗にて計測する。かかる場合、第２セルで計測される特定成分は酸素以外の、ＮＯｘ、ＨＣ等の濃度であり、その濃度検出のための素子電流は微弱である。例えば、ＮＯｘ濃度検出時の素子電流はｎＡ（ナノアンペア）オーダである。この点、上述した各々の特徴的構成によれば、微弱な素子電流であっても好適にガス濃度を検出できる。

第１３の発明では、ガス室内の酸素濃度が所定濃度レベルである低酸素レベルになったことを条件として起電力検出を実施するとよい。つまり、例えばセンサ始動時には、ガス室内の余剰酸素が第１セルにより十分に排出された後においてセンサ起電力が適正に検出される。本発明によれば、ガス室内に酸素が過剰に存在していること（余剰酸素が多すぎること）に起因する起電力の検出不良を抑制できる。これにより、異常検出の精度を高めることができる。

ガス室内の残留酸素濃度は増減変化し、その残留酸素濃度に応じて第２セルでの起電力が変化すると考えられる。そこで、第１４の発明では、ガス室内の残留酸素濃度を検出し、該検出したガス室内の残留酸素濃度に応じて異常判定値を可変に設定する。そして、その異常判定値と都度の検出起電力とに基づいてセンサ素子又はセンサ回路の異常判定を実施する。これにより、ガス室内の残留酸素濃度が増減変化しても、高精度な異常判定を実現できる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車載エンジンの排気管に設けられたＮＯｘセンサを用い、そのＮＯｘセンサの出力に基づいて排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出システムについて説明する。なお、車載エンジンは例えばディーゼルエンジンであり、同エンジンの排気管に設けられる排気浄化装置としてのＮＯｘ浄化触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒やアンモニア選択還元触媒等）について、ＮＯｘセンサの出力に基づいて異常診断等が実施されるようになっている。例えば、ＮＯｘ浄化触媒の下流側にＮＯｘセンサが設けられ、同ＮＯｘセンサの出力から算出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ浄化率）が所定の異常判定値を上回る場合に、ＮＯｘ浄化触媒が異常である旨診断される。

まずは、ＮＯｘセンサを構成するセンサ素子１０について図１を用いて説明する。センサ素子１０はいわゆる積層型構造を有するものであり、その内部構造を図１に示している。図の左右方向がセンサ素子１０の長手方向に相当する。図の右側が素子基端側（排気管取り付け部位側）であり、図の左側が素子先端側である。センサ素子１０は、ポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる、いわゆる３セル構造を有するものであり、それら各セルが積層配置されて構成されている。なお、モニタセルは、ポンプセル同様、ガス中の酸素排出の機能を具備するため、補助ポンプセル又は第２ポンプセルと称される場合もある。

センサ素子１０において、ジルコニア等の酸素イオン導電性材料からなる固体電解質体１１，１２はシート状をなし、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ１３を介して図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質体１１には排気導入口１１ａが形成されており、この排気導入口１１ａを介して当該センサ素子周囲の排気が第１チャンバ１４内に導入される。第１チャンバ１４は、絞り部１５を介して第２チャンバ１６に連通している。固体電解質体１１の図の上面には、排気を所定の拡散抵抗で出し入れするための多孔質拡散層１７が設けられるとともに、大気通路１８を区画形成するための絶縁層１９が設けられている。

また、固体電解質体１２の図の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層２１が設けられ、この絶縁層２１により大気通路２２が形成されている。絶縁層２１には、センサ全体を加熱するためのヒータ（発熱体）２３が埋設されている。この場合、ヒータ２３により、ポンプセル３１、モニタセル３４及びセンサセル３５が加熱され、これら各セル３１，３４，３５の活性化が促進される。ヒータ２３は、図示しないバッテリ電源等からの給電により熱エネルギを発生する。

図の下側の固体電解質体１２には、第１チャンバ１４に対面するようにしてポンプセル３１が設けられており、ポンプセル３１は、第１チャンバ１４内に導入された排気中の酸素を出し入れして同チャンバ１４内の残留酸素濃度を所定濃度に調整する。ポンプセル３１は、固体電解質体１２を挟んで設けられる上下一対の電極３２，３３を有し、そのうち特に第１チャンバ１４側の電極３２はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘを分解し難い電極）となっている。ポンプセル３１は、電極３２，３３間に電圧が印加された状態で、第１チャンバ１４内に存在する酸素を分解して電極３３より大気通路２２側に排出する。

また、図の上側の固体電解質体１１には、第２チャンバ１６に対面するようにしてモニタセル３４及びセンサセル３５が設けられている。モニタセル３４は、上述したポンプセル３１により余剰酸素が排出された後に、第２チャンバ１６内の残留酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴い電流出力を発生する。センサセル３５は、第２チャンバ１６内のガスからＮＯｘ濃度を検出する。

モニタセル３４及びセンサセル３５は、互いに近接した位置に並べて配置されており、第２チャンバ１６側に電極３６，３７を有するとともに、大気通路１８側に共通電極３８を有する構成となっている。すなわち、モニタセル３４は、固体電解質体１１とそれを挟んで対向配置された電極３６及び共通電極３８とにより構成され、センサセル３５は、同じく固体電解質体１１とそれを挟んで対向配置された電極３７及び共通電極３８とにより構成されている。モニタセル３４の電極３６（第２チャンバ１６側の電極）はＮＯｘに不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属からなるのに対し、センサセル３５の電極３７（第２チャンバ１６側の電極）はＮＯｘに活性な白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ等の貴金属からなる。なお、便宜上図面ではモニタセル３４及びセンサセル３５を排気の流れ方向に対して前後に並べて示すが、実際には、これら各セル３４，３５は排気の流れ方向に対して同等位置になるよう配置されるようになっている。

ここで、ポンプセル３１と、モニタセル３４及びセンサセル３５とは、センサ素子１０の長手方向に並べて設けられており、センサ素子１０の先端側にポンプセル３１が設けられ、同基端側（排気管取り付け側）にモニタセル３４及びセンサセル３５が設けられている。

上記構成のセンサ素子１０では、排気は多孔質拡散層１７及び排気導入口１１ａを通って第１チャンバ１４に導入される。そして、この排気がポンプセル３１近傍を通過する際、ポンプセル電極３２，３３間にポンプセル印加電圧Ｖｐが印加されることで分解反応が起こり、第１チャンバ１４内の酸素濃度に応じてポンプセル３１を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第１チャンバ１４側の電極３２がＮＯｘ不活性電極であるため、ポンプセル３１では排気中のＮＯｘは分解されず、酸素のみが分解されて電極３３から大気通路２２に排出される。こうしたポンプセル３１の働きにより、第１チャンバ１４内が所定の低酸素濃度の状態に保持される。

ポンプセル３１近傍を通過したガス（酸素濃度調整後のガス）は第２チャンバ１６に流れ込み、モニタセル３４では、ガス中の残留酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル３４の出力は、モニタセル電極３６，３８間に所定のモニタセル印加電圧Ｖｍが印加されることでモニタセル電流Ｉｍとして検出される。また、センサセル電極３７，３８間に所定のセンサセル印加電圧Ｖｓが印加されることでガス中のＮＯｘが還元分解され、その際発生する酸素が電極３８から大気通路１８に排出される。このとき、センサセル３５に流れた電流（センサセル電流Ｉｓ）により、排気中のＮＯｘ濃度が検出される。

ＮＯｘセンサ回路４０はセンサ制御の主体となるマイコン４１と制御回路部（詳細は図２で後述する）とを有しており、このマイコン４１や制御回路部により、ポンプセル３１の電極３２，３３間に印加するポンプセル電圧Ｖｐ、モニタセル３４の電極３６，３８間に印加するモニタセル電圧Ｖｍ、センサセル３５の電極３７，３８間に印加するセンサセル電圧Ｖｓがそれぞれ制御される。マイコン４１には、ポンプセル電流Ｉｐ、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓの各々の計測値が逐次入力され、マイコン４１は、これらの計測値に基づいて排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を算出する。

図２は、ＮＯｘセンサ回路４０の概要を示すブロック図である。なお、ＮＯｘセンサ回路４０には、図示する各回路部以外にヒータ駆動回路部も含まれるが、図２では図示を省略している。

図２において、ＮＯｘセンサ回路４０には、ポンプセル３１の電極３２，３３にそれぞれ接続される正側端子ＰＳ＋及び負側端子ＰＳ−と、モニタセル３４及びセンサセル３５の共通電極３８に接続される共通端子ＣＯＭ＋と、モニタセル３４及びセンサセル３５の各電極３６，３７にそれぞれ接続される負側端子ＭＳ−，ＳＳ−とが設けられている。

ポンプセル３１の正側端子ＰＳ＋には、ポンプセル３１に印加するためのポンプセル印加電圧を可変設定するポンプセル駆動回路部４２が接続され、負側端子ＰＳ−には、ポンプセル電流Ｉｐを検出するＩｐ検出回路部４３が接続されている。ポンプセル駆動回路部４２では、Ｉｐ検出回路部４３により検出されたポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル印加電圧が制御される。Ｉｐ検出回路部４３により検出されたポンプセル電流Ｉｐはマイコン４１に逐次入力される。

また、センサセル３５とモニタセル３４との正側の共通端子ＣＯＭ＋には、これら各セル３４，３５に共通の電圧を印加するセンサセル／モニタセル駆動回路部４４が接続され、各セル３５，３４の負側端子ＳＳ−，ＭＳ−にはそれぞれ、センサセル電流Ｉｓを検出するＩｓ検出回路部４５、モニタセル電流Ｉｍを検出するＩｍ検出回路部４６が接続されている。Ｉｓ検出回路部４５とＩｍ検出回路部４６とにはマイコン４１が接続されており、各検出回路部４５，４６でセンサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍに応じて計測された電流計測値ＶＳ１，ＶＭ１がマイコン４１に逐次入力される。また、センサセル／モニタセル駆動回路部４４、Ｉｓ検出回路部４５及びＩｍ検出回路部４６では、それぞれ各端子ＣＯＭ＋，ＳＳ−，ＭＳ−における端子電圧が計測され、その端子電圧（Ｖｃｏｍ，ＶＳ２，ＶＭ２）がマイコン４１に逐次入力されるようになっている。詳細は後述する。

その他、センサセル／モニタセル駆動回路部４４には、異常発生時等においてモニタセル３４及びセンサセル３５の保護を図るべくこれら各セルへの電圧印加を中止させるセンサセル／モニタセル保護回路部４８が接続されている。

以下、ＮＯｘセンサ回路４０を構成する各回路部の詳細を説明する。ただし、本実施形態では、ポンプセル３１に関する回路構成は何ら既存のものと変わりないため、ポンプセル駆動回路部４２とＩｐ検出回路部４３とについては説明を省略する。

図３は、センサセル／モニタセル駆動回路部４４の回路構成図である。図３において、定電圧源（定電圧Ｖｃｃ）には２つの抵抗からなる抵抗分圧回路５１が接続され、その抵抗分圧回路５１の分圧電圧ＶＸ１がオペアンプ５２の＋入力端子に入力される。オペアンプ５２の出力端子にはスイッチ回路５３と保護抵抗５４とを介して共通端子ＣＯＭ＋が接続されている。オペアンプ５２の負帰還部には保護抵抗５５が設けられている。共通端子ＣＯＭ＋にはＥＳＤ（静電気放電）対応用のコンデンサ５６が接続されている。

また、共通端子ＣＯＭ＋と同電圧となる図の点Ａ１には、保護抵抗５７を介して電圧フォロア５８が接続されており、本駆動回路部４４では、共通端子ＣＯＭ＋の電圧が共通端子電圧Ｖｃｏｍとして出力される。

スイッチ回路５３は、後述するセンサセル／モニタセル保護回路部４８から入力される電圧印加停止信号ＳＧ１に基づいてＯＮ／ＯＦＦ（開閉）される構成となっており、電圧印加停止信号ＳＧ１が反転回路５９を介してスイッチ回路５３に入力される。本構成では、ＳＧ１＝ロウの場合（電圧印加許可の場合）にスイッチ回路５３が閉鎖され、抵抗分圧回路５１の分圧電圧ＶＸ１が共通端子ＣＯＭ＋に印加される。また、ＳＧ１＝ハイの場合（電圧印加停止の場合）にスイッチ回路５３が開放され、共通端子ＣＯＭ＋への分圧電圧ＶＸ１の印加が遮断される。

次に、Ｉｓ検出回路部４５の構成を図４を用いて説明する。図４において、センサセル３５の負側端子ＳＳ−には、電流計測抵抗６１と差動増幅回路６２とが直列に接続されている。この場合特に、電流計測抵抗６１は、差動増幅回路６２を構成するオペアンプの出力側であって負帰還部の外（帰還系の外）に設けられている。差動増幅回路６２の＋入力端子には、定電圧Ｖｃｃを２つの抵抗により分圧する抵抗分圧回路６３が接続され、−入力端子には、帰還入力経路Ｌ１が接続されている。

また、電流計測抵抗６１の両端（Ｂ１点、Ｂ２点）のうち、負側端子ＳＳ−側であるＢ１点（電流計測抵抗６１のセンサ側端子）には保護抵抗６４を介して電圧フォロア６５が接続されており、電圧フォロア６５の出力端子が差動増幅回路６６の＋入力端子に接続されている。また、差動増幅回路６６の−入力端子にはＢ２点（電流計測抵抗６１の反センサ側端子）が接続されている。したがって、電流計測抵抗６１にセンサセル電流Ｉｓが流れると、そのセンサセル電流Ｉｓに応じて電流計測抵抗６１の両端（Ｂ１点、Ｂ２点）で電位差が生じ、その電位差が差動増幅回路６６にて所定の増幅率で増幅された後、センサセル電流計測値ＶＳ１として出力される。

差動増幅回路６６の出力であるセンサセル電流計測値ＶＳ１は、帰還入力経路Ｌ１を通じて差動増幅回路６２の−入力端子に入力されるようになっている。これに関して詳しくは、「出力回路」としての差動増幅回路６６の出力端子と、「印加電圧設定回路」としての差動増幅回路６２の−入力端子とは帰還入力経路Ｌ１により接続されており、その帰還入力経路Ｌ１の途中に、当該経路Ｌ１を断続（開閉）するためのスイッチ回路６７と、抵抗及びコンデンサよりなるノイズ除去用のＬＰＦ（ローパスフィルタ）６８とが設けられている。通常時はスイッチ回路６７が閉鎖されており、差動増幅回路６６の出力であるセンサセル電流計測値ＶＳ１が差動増幅回路６２に帰還入力される。なお、スイッチ回路６７は、例えばトランジスタ等の半導体スイッチング素子により構成されている（後述する各スイッチ回路も同様）。

電圧フォロア６５の出力電圧は、Ｂ１点の電圧（すなわち、センサセル３５の負側端子ＳＳ−の電圧）と同じであり、その出力電圧がセンサセル端子電圧ＶＳ２として出力されるようになっている。

また、電圧フォロア６５の出力端子と差動増幅回路６２の＋入力端子とは帰還入力経路Ｌ２により接続されており、その帰還入力経路Ｌ２の途中に、当該経路Ｌ２を断続（開閉）するためのスイッチ回路７１が設けられている。通常時はスイッチ回路７１が開放されており、閉鎖されることで電圧フォロア６５の出力であるセンサセル端子電圧ＶＳ２が差動増幅回路６２に帰還入力される。ここで、電圧フォロア６５は入力インピーダンスが大きく、その出力側に素子電流が流れないことから、帰還入力経路Ｌ２を、素子電流が流れない経路とすることができる。そして、この経路にスイッチ回路７１が設けられている。

帰還入力経路Ｌ１，Ｌ２にそれぞれ設けられるスイッチ回路６７，７１は、マイコン４１から入力されるハイ／ロウ２値の回路切替信号ＳＧ２に基づいてＯＮ／ＯＦＦ（開閉）される構成となっており、回路切替信号ＳＧ２はそのまま一方のスイッチ回路６７に入力されるとともに、反転回路７２を介して他方のスイッチ回路７１に入力される。本実施形態では、ＳＧ２＝ハイの場合に、スイッチ回路６７が閉鎖、スイッチ回路７１が開放となり、２つの帰還入力経路Ｌ１，Ｌ２のうち帰還入力経路Ｌ１のみが導通状態とされる。また、ＳＧ２＝ロウの場合に、スイッチ回路６７が開放、スイッチ回路７１が閉鎖となり、２つの帰還入力経路Ｌ１，Ｌ２のうち帰還入力経路Ｌ２のみが導通状態とされる。要するに、スイッチ回路６７，７１は開閉時期が逆となる態様で開閉され、それにより帰還入力経路Ｌ１，Ｌ２のいずれか一方のみが導通状態とされる構成となっている。

通常時にＮＯｘ濃度を検出する場合、すなわち排気中のＮＯｘ濃度に応じて流れるセンサセル電流Ｉｓを計測する場合には、マイコン４１から回路切替信号ＳＧ２としてハイ信号が出力され、差動増幅回路６６の出力ＶＳ１が帰還入力経路Ｌ１を介して差動増幅回路６２の−入力端子に入力される。そして、差動増幅回路６６の出力ＶＳ１に応じて差動増幅回路６２の出力が増減する。このとき、センサセル電流Ｉｓが大きいほど出力ＶＳ１が大きくなり、それに伴い差動増幅回路６２の出力が減少する。

これに対し、電流計測抵抗６１の両端電位差をゼロにし、同電流計測抵抗６１に流れる電流が０ｎＡとなる状態にする場合には、マイコン４１から回路切替信号ＳＧ２としてロウ信号が出力され、電圧フォロア６５の出力ＶＳ２が帰還入力経路Ｌ２を介して差動増幅回路６２の＋入力端子に入力される。このとき、差動増幅回路６２によれば、電流計測抵抗６１の反センサ側端子（Ｂ２点）の電圧が、同電流計測抵抗６１のセンサ側端子（Ｂ１点）と同じで電圧に調整される。これにより、電流計測抵抗６１の両端電位差がゼロになり、電流計測抵抗６１に電流が流れない状態（電流＝０ｎＡの状態）となる。かかる場合、電流計測抵抗６１に電流が流れない状態はＮＯｘ濃度＝０ｐｐｍの状態に相当し、差動増幅回路６６の出力ＶＳ１は本来チャンバ内の残留酸素濃度分の所定値になるが、仮にオフセット誤差が生じていれば、その誤差分だけ出力値にずれが生じる。したがって、その出力によりオフセット誤差を求めることができる。

また、マイコン４１から回路切替信号ＳＧ２としてロウ信号が出力された場合には、電流計測抵抗６１に電流が流れない状態となることから、センサセル３５の負側端子ＳＳ−にはセンサセル起電力に応じた電圧が生じ、それがセンサセル端子電圧ＶＳ２として計測される。

電流計測抵抗６１の両端（Ｂ１点、Ｂ２点）のうち、Ｂ１点にはバイアス電流抵抗７５とＥＳＤ対応用のコンデンサ７６とが接続されている。つまり、これらバイアス電流抵抗７５、ＥＳＤ対応用のコンデンサ７６は一端が電流計測抵抗６１のセンサ側端子に接続され、他端が接地されている。バイアス電流抵抗７５の抵抗値は、例えば１ＭΩ又はそれ以上である。

ここで、Ｂ１点（電流計測抵抗６１のセンサ側端子）にバイアス電流抵抗７５が接続されていることにより、断線や素子割れ等の異常が生じている状態下で上記のようにセンサセル起電力を計測する場合において、センサセル端子電圧ＶＳ２を固定電圧とすることができる。言い換えると、センサセル端子電圧ＶＳ２として起電力異常に対応する値を取得することが可能となる。つまり、断線や素子割れ等の異常発生状態ではセンサセル３５で起電力が発生せず、センサセル端子電圧ＶＳ２（図のＢ１点電圧）が不定となるが、バイアス電流抵抗７５を設けた上記構成によれば、センサ起電力が発生しない状態でも、センサセル端子電圧ＶＳ２を所定電圧（バイアス電流抵抗７５の抵抗値に応じた電圧）に保持することができる。したがって、こうした起電力未発生の状態でもセンサセル端子電圧ＶＳ２が安定し、異常値としてのセンサ起電力を検出できる。

なお、本実施形態では、バイアス電流抵抗７５の低電位側をグランドに接続しているが、これに限らず、固定電位となる他の基準電位部に接続する構成であってもよい。例えば、バイアス電流抵抗７５の一端を電源回路に接続する構成や、グランド電圧〜電源電圧の範囲内の所定電圧を出力する回路部に接続する構成であってもよい。

上記のようにバイアス電流抵抗７５を設けた場合、そのバイアス電流抵抗７５を通じて電流が流れるため、その分、電流計測抵抗６１に流れる電流が減じられることも考えられる。ゆえに、バイアス電流抵抗７５に流れる電流をあらかじめ計測しておき、その計測電流分を電流補正する構成としてもよい。

Ｉｍ検出回路部４６は、Ｉｓ検出回路部４５と同様の回路構成を有しており、説明が重複するため図示及び詳細な説明を省略する。すなわち、Ｉｍ検出回路部４６としても図４の回路がそのまま用いられる。なお、図２に示すように、Ｉｍ検出回路部４６に対しては、マイコン４１からモニタセル用の回路切替信号ＳＧ３が出力され、この回路切替信号ＳＧ３により、通常時における残留酸素濃度検出の状態と、電流計測抵抗の両端電位差をゼロとする状態（電流＝０ｎＡとする状態）とが切り替えられるようになっている（上述した回路切替信号ＳＧ２と同様）。また、Ｉｍ検出回路部４６では、図４のセンサセル電流計測値ＶＳ１に代えてモニタセル電流計測値ＶＭ１が出力されるとともに、センサセル端子電圧ＶＳ２に代えてモニタセル端子電圧ＶＭ２が出力されるようになっている。電流計測抵抗の両端電位差をゼロとする状態では、モニタセル端子電圧ＶＭ２によりモニタセル起電力が計測される。

図２に示すマイコン４１では、Ｉｓ検出回路部４５から出力されるセンサセル電流計測値ＶＳ１とＩｍ検出回路部４６から出力されるモニタセル電流計測値ＶＭ１とが入力され、それら各入力値に基づいて（Ｉｓ−Ｉｍ）値が算出される。そして、その（Ｉｓ−Ｉｍ）値に基づいて排気中のＮＯｘ濃度が算出される。

次に、センサセル／モニタセル保護回路部４８の構成を図５を用いて説明する。このセンサセル／モニタセル保護回路部４８では、例えば、センサセル３５及びモニタセル３４の正負両側における回路部分（正側の共通端子ＣＯＭ＋、負側端子ＳＳ−，ＭＳ−に接続された回路部分）の電源ショート異常やグランドショート異常が検出される。本実施形態では、センサセル／モニタセル保護回路部４８が「電圧印加停止手段」に相当する。

図５において、本保護回路部４８には、センサセル／モニタセル駆動回路部４４から出力される共通端子電圧Ｖｃｏｍと、Ｉｓ検出回路部４５から出力されるセンサセル端子電圧ＶＳ２と、Ｉｍ検出回路部４６から出力されるモニタセル端子電圧ＶＭ２とが各々入力される。その他、同保護回路部４８には、マイコン４１から異常判定信号ＳＧ４が入力される。異常判定信号ＳＧ４については後で詳述するが、略述すると、異常判定信号ＳＧ４は、正常時にＳＧ４＝ハイ、異常発生時にＳＧ４＝ロウとされる２値信号である。そして、センサセル／モニタセル保護回路部４８は、これらの各入力信号に基づいて電圧印加停止信号ＳＧ１を生成し、同信号ＳＧ１をセンサセル／モニタセル駆動回路部４４に対して出力する。その詳細を以下に説明する。

センサセル／モニタセル保護回路部４８は、５つの比較回路８１〜８５を有している。各比較回路８１〜８５の動作は以下のとおりである。

第１比較回路８１は、共通端子電圧Ｖｃｏｍ（正常時４．４Ｖ）と基準電圧Ｖｒｅｆ１（例えば４．６Ｖ）とを大小比較する。この場合、正常時にはＶｃｏｍ＜Ｖｒｅｆ１であって第１比較回路８１の出力がロウであるが、異常時にＶｃｏｍ＞Ｖｒｅｆ１になると第１比較回路８１の出力がハイになる。例えば、共通端子ＣＯＭ＋に接続される部位で電源ショートが生じた場合、第１比較回路８１の出力がハイになる。

第２比較回路８２は、センサセル端子電圧ＶＳ２（正常時４．０Ｖ）と基準電圧Ｖｒｅｆ２（例えば３．８Ｖ）とを大小比較する。この場合、正常時にはＶＳ２＞Ｖｒｅｆ２であって第２比較回路８２の出力がロウであるが、異常時にＶＳ２＜Ｖｒｅｆ２になると第２比較回路８２の出力がハイになる。例えば、センサセル３５の負側端子ＳＳ−に接続される部位でグランドショートが生じた場合、第２比較回路８２の出力がハイになる。

第３比較回路８３は、モニタセル端子電圧ＶＭ２（正常時４．０Ｖ）と基準電圧Ｖｒｅｆ３（例えば３．８Ｖ）とを大小比較する。この場合、正常時にはＶＭ２＞Ｖｒｅｆ３であって第３比較回路８３の出力がロウであるが、異常時にＶＭ２＜Ｖｒｅｆ３になると第３比較回路８３の出力がハイになる。例えば、モニタセル３４の負側端子ＭＳ−に接続される部位でグランドショートが生じた場合、第３比較回路８３の出力がハイになる。

第４比較回路８４は、共通端子電圧Ｖｃｏｍとセンサセル端子電圧ＶＳ２とを大小比較する。この場合、正常時にはＶｃｏｍ＞ＶＳ２であって第４比較回路８４の出力がロウであるが、異常時にＶｃｏｍ＜ＶＳ２になると第４比較回路８４の出力がハイになる。例えば、共通端子ＣＯＭ＋に接続される部位でグランドショートが生じた場合、又はセンサセル３５の負側端子ＳＳ−に接続される部位で電源ショートが生じた場合、第４比較回路８４の出力がハイになる。

第５比較回路８５は、共通端子電圧Ｖｃｏｍとモニタセル端子電圧ＶＭ２とを大小比較する。この場合、正常時にはＶｃｏｍ＞ＶＭ２であって第５比較回路８５の出力がロウであるが、異常時にＶｃｏｍ＜ＶＭ２になると第５比較回路８５の出力がハイになる。例えば、共通端子ＣＯＭ＋に接続される部位でグランドショートが生じた場合、又はモニタセル３４の負側端子ＭＳ−に接続される部位で電源ショートが生じた場合、第５比較回路８５の出力がハイになる。

なお図示は略するが、基準電圧Ｖｒｅｆ１〜Ｖｒｅｆ３は、いずれも定電圧Ｖｃｃを２つの抵抗により分圧する抵抗分圧回路により生成されるものである。

そして、５つの比較回路８１〜８５の各出力と、マイコン４１からの異常判定信号ＳＧ４とがＯＲ回路８６に入力される。この場合、ＯＲ回路８６の複数の入力のうち何れかがハイであれば、電圧印加停止信号ＳＧ１としてハイ信号が出力される。ＳＧ１＝ハイであれば、前述のとおりセンサセル／モニタセル駆動回路部４４においてスイッチ回路５３が開放され、共通端子ＣＯＭ＋への電圧印加が遮断される（図３参照）。つまり、センサセル３５及びモニタセル３４について電源ショートやグランドショートといった異常が発生している場合、あるいはマイコン４１からハイレベルの異常判定信号ＳＧ４が出力されている場合には、センサセル３５及びモニタセル３４への電圧印加が停止されてこれら各セルの保護が図られる。より具体的には、センサセル３５及びモニタセル３４への過電流が防止されることで、センサ素子の破損等を抑制できる。

次に、マイコン４１により実行されるセンサ出力補正値の算出処理と、センサ起電力による異常検出処理とについて説明する。センサ出力補正値の算出処理は、ＮＯｘ濃度検出の途中においてＩｓ検出回路部４５やＩｍ検出回路部４６における電流計測抵抗の両端電位差を一時的にゼロとし、その状態での回路出力により出力補正値（特に本実施形態ではオフセット補正値）を算出するものである。また、異常検出処理は、上記のとおり電流計測抵抗の両端電位差を一時的にゼロとすることで得られたセンサセル３５又はモニタセル３４の起電力値に基づいて、断線や素子割れ、素子活性不良等の異常の有無を検出するものである。

まずは、センサ出力補正値の算出処理について図６のフローチャートを参照しながら説明する。なお、図６に示す処理は、マイコン４１により所定の時間周期で繰り返し実行される。ここでは、Ｉｓ検出回路部４５の出力値（ＶＳ１）におけるオフセット補正値を算出する手順を説明する。

図６において、ステップＳ１１では、今現在、オフセット補正値の算出タイミングであるか否かを判定する。本実施形態ではオフセット補正値の算出周期を１０秒としており、１０秒が経過する度にステップＳ１１が肯定される。オフセット補正値の算出周期は、例えば回路の温度変化が生じる速さに応じて設定されるのが望ましい。オフセット補正値の算出タイミングであれば、ステップＳ１２に進み、センサセル３５が所定の活性温度（例えば７５０℃）まで昇温されているか否かを判定する。具体的には、エンジン始動時からの経過時間やヒータ投入電力、又はセンサセル３５におけるインピーダンス検出値などに基づいて、センサセル３５の昇温状態が判定される。

センサセル３５が所定の活性温度まで昇温されていればステップＳ１３に進み、Ｉｓ検出回路部４５に対して出力される回路切替信号ＳＧ２をハイからロウに切り替える。これにより、Ｉｓ検出回路部４５において差動増幅回路６２への帰還入力経路Ｌ１，Ｌ２の導通切替（ここではＬ１→Ｌ２への切替）が行われ、それに伴い、電流計測抵抗６１に流れる電流が意図的に０ｎＡにされる。続くステップＳ１４では、回路切替信号ＳＧ２のハイ→ロウの切替後における出力安定化を待つための待機処理を実行する。

そして、待機処理により所定時間待機した後、ステップＳ１５では、差動増幅回路６６の出力ＶＳ１を読み込み、そのＶＳ１値によりオフセット補正値Ｆｏｆｆを算出する。本実施形態では、その時のＶＳ１値を電流換算してオフセット補正値Ｆｏｆｆとし、そのオフセット補正値Ｆｏｆｆをバックアップ用デバイス（例えば、ＥＥＰＲＯＭやバックアップＲＡＭ）に記憶する。言い加えると、オフセット補正値Ｆｏｆｆは、学習値としてバックアップ用デバイスに記憶されるとともに適宜更新されるものとなっている。

その後、ステップＳ１６では、回路切替信号ＳＧ２をロウからハイに切り替える。これにより、差動増幅回路６２への帰還入力経路がＬ１に戻され、それに伴いＩｓ検出回路部４５が通常のＮＯｘ濃度検出状態に戻される。続くステップＳ１７では、回路切替信号ＳＧ２のロウ→ハイの切替後における出力安定化を待つための待機処理を実行する。そして、待機処理により所定時間待機した後、通常のＮＯｘ濃度検出が再開される（ステップＳ１８）。

上記のように算出されたオフセット補正値Ｆｏｆｆは、ＮＯｘ濃度検出時において、逐次計測されたセンサセル電流Ｉｓ（ＶＳ１の電流換算値）の補正に適宜用いられる。すなわち、ＮＯｘ濃度検出時に計測されたセンサセル電流Ｉｓからオフセット補正値Ｆｏｆｆが減算されて補正後センサセル電流が算出され（補正後センサセル電流＝Ｉｓ−Ｆｏｆｆ）、その補正後センサセル電流に基づいてＮＯｘ濃度が算出される。

実際には、Ｉｓ検出回路部４５だけでなくＩｍ検出回路部４６についても同様にオフセット補正値の算出が行われ、それら２つの検出回路部４５，４６におけるオフセット補正値を両方用いてＮＯｘ濃度の算出が行われる。この場合、センサセル電流Ｉｓ（計測値）からセンサセル用のオフセット補正値が減算されて補正後センサセル電流が算出されるとともに、モニタセル電流Ｉｍ（計測値）からモニタセル用のオフセット補正値が減算されて補正後モニタセル電流が算出され、それら補正後センサセル電流と補正後モニタセル電流との差（＝補正後センサセル電流−補正後モニタセル電流）に基づいてＮＯｘ濃度が算出される。

ここで、図７に示すように、ＮＯｘセンサ回路４０では、センサセル電流Ｉｓ、モニタセルＩｍ、（Ｉｓ−Ｉｍ）についてそれぞれオフセット誤差が生じる。図中、「センサ出力」はセンサ素子１０にて実際に生じた電流値であり、「回路検出値」は、実際のセンサ出力に対してＮＯｘセンサ回路４０（Ｉｓ検出回路部４５、Ｉｍ検出回路部４６）で計測された計測値である。

かかる場合において、センサ出力に対するオフセット誤差をオフセット補正値として求め、このオフセット補正値を用いてセンサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍをそれぞれ補正することにより、回路検出値のオフセット誤差に起因するＮＯｘ濃度の算出精度低下を抑制できる。

図８は、センサセル起電力に基づく異常検出処理を示すフローチャートである。本処理は、マイコン４１により所定の時間周期で繰り返し実行される。

図８において、ステップＳ２１では、今現在、異常検出タイミングであるか否かを判定する。本実施形態では異常検出周期を０．５秒としており、０．５秒が経過する度にステップＳ２１が肯定される。異常検出タイミングであれば、ステップＳ２２に進み、センサセル３５が所定の活性温度（例えば７５０℃）まで昇温されているか否かを判定する（上記ステップＳ１２と同様）。また、ステップＳ２３では、エンジン始動後においてセンサ素子１０のチャンバ１４，１６内の酸素が十分に排出され、残留酸素濃度が所定の低酸素レベルになっているか否かを判定する。例えば、エンジン始動時からの経過時間などに基づいて、残留酸素の排出状況が判定される。

そして、ステップＳ２２，Ｓ２３が共に肯定されるとステップＳ２４に進み、Ｉｓ検出回路部４５に対して出力される回路切替信号ＳＧ２をハイからロウに切り替える。これにより、Ｉｓ検出回路部４５において差動増幅回路６２への帰還入力経路Ｌ１，Ｌ２の導通切替（ここではＬ１→Ｌ２への切替）が行われ、それに伴い、電流計測抵抗６１に流れる電流が意図的に０ｎＡにされる。続くステップＳ２５では、回路切替信号ＳＧ２のハイ→ロウの切替後における出力安定化を待つための待機処理を実行する。

そして、待機処理により所定時間待機した後、ステップＳ２６では、共通端子電圧Ｖｃｏｍとセンサセル端子電圧ＶＳ２とを読み込み、そのＶｏｍ値とＶＳ２値とによりセンサセル３５の起電力値を検出する。具体的には、共通端子電圧Ｖｃｏｍ（センサセル正側端子の起電力計測値）からセンサセル端子電圧ＶＳ２（センサセル負側端子の起電力計測値）を減算することで、センサセル３５の起電力値を算出する。またこのとき、センサセル３５の起電力値をバックアップ用デバイス（例えば、ＥＥＰＲＯＭやバックアップＲＡＭ）に記憶する。

その後、ステップＳ２７では、上記ステップＳ２６で検出した起電力値があらかじめ定めた正常範囲に入っているか否かを判定する。具体的には、センサ素子１０のチャンバ内は基本的に弱リーン状態にあり、センサセル３５の起電力は０．２Ｖ程度の電圧値となる。ゆえに、０．２Ｖ±０．１Ｖの範囲（０．１〜０．３Ｖの範囲）を正常範囲としている。ただし、通常時のセンサセル印加電圧が０．４Ｖ（＝４．４Ｖ−４．０Ｖ）であることを考慮し、正常範囲を０．１〜０．４Ｖとしてもよい。

起電力値が正常範囲に入っていれば、ステップＳ２８に進み、断線や素子割れ等の異常が発生していないとして正常判定を実施する。また、起電力値が正常範囲に入っていなければ、ステップＳ２９に進み、起電力異常が連続して所定回数発生しているか否かを判定する。そして、起電力異常が連続して所定回数発生していれば、ステップＳ３０に進み、断線や素子割れ等の異常が発生しているとして異常判定を実施する。

断線や素子割れ等の異常が発生している旨判定された場合には、ステップＳ３１でセンサセル／モニタセル保護回路部４８に対して異常判定信号ＳＧ４としてハイ信号を出力する。

その後、ステップＳ３２では、回路切替信号ＳＧ２をロウからハイに切り替える。これにより、差動増幅回路６２への帰還入力経路がＬ１に戻され、それに伴いＩｓ検出回路部４５が通常のＮＯｘ濃度検出状態に戻される。続くステップＳ３３では、回路切替信号ＳＧ２のロウ→ハイの切替後における出力安定化を待つための待機処理を実行する。そして、待機処理により所定時間待機した後、通常のＮＯｘ濃度検出が再開される（ステップＳ３４）。

図示は省略するが、モニタセル３４についても同様にモニタセル起電力に基づく異常検出処理が実施される。その手順は図８の手順に準ずる。簡単に説明すると、Ｉｍ検出回路部４６において電流計測抵抗の両端電位差がゼロとなる状態とし、その状態下でモニタセル端子電圧ＶＭ２によりモニタセル起電力を検出する。そして、そのモニタセル起電力が正常範囲（０．１〜０．３Ｖの範囲、又は０．１〜０．４Ｖの範囲）に入っているか否かにより異常判定を実施する。これにより、モニタセル３４について断線や素子割れ等の異常が検出される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

Ｉｓ検出回路部４５（又はＩｍ検出回路部４６）において、素子電流（センサセル電流、モニタセル電流）が流れない経路上にスイッチ回路７１を設け、スイッチ回路７１を閉じた状態でセンサセル３５の起電力を検出し、その起電力に基づいて異常判定を実施する構成としたため、素子割れや活性不良、断線等の異常が発生している場合にその異常の発生を好適に検出できる。

この場合特に、素子電流が流れない経路上にスイッチ回路７１が設けられているため（逆に言えば、素子電流が流れる経路上にはスイッチ回路が設けられていないため）、そのスイッチ回路７１によるリーク電流、具体的にはトランジスタ等の半導体スイッチング素子によるリーク電流が原因で素子電流計測値に誤差が生じるといった不都合を回避できる。つまり、スイッチ回路７１でリーク電流が生じたとしても素子電流計測としては何ら影響はない（仮に影響が生じたとしてもそれは極めて微小である）。本実施形態のように微弱なＮＯｘ検出電流を計測する場合には、スイッチ回路の存在が原因で電流計測値に誤差が生じると、ＮＯｘ濃度検出への影響が大きなものとなるが、こうした不都合を回避できる。

スイッチ回路７１を閉じた状態でセンサセル３５の正負両方の端子電圧（共通端子電圧Ｖｃｏｍとセンサセル端子電圧ＶＳ２）を計測し、それら各電圧の差によりセンサセル３５の起電力を検出する構成とした（モニタセル３４も同様）。これにより、正確に起電力を検出できる。ただし、センサセル端子電圧ＶＳ２のみで起電力を検出することも可能である。

Ｉｓ検出回路部４５（又はＩｍ検出回路部４６）において、２つの帰還入力経路Ｌ１，Ｌ２にそれぞれスイッチ回路６７，７１を設け、通常のＮＯｘ濃度検出か、起電力検出時かに応じてスイッチ回路６７，７１を開閉して、導通状態となる帰還入力経路を適宜切り替える構成とした。これにより、差動増幅回路６２への帰還入力経路を適宜切り替えることで、ＮＯｘ濃度検出を一時的に中断して起電力検出を実施することができる。

電流計測抵抗６１のセンサ側端子をバイアス電流抵抗７５を介してグランド（基準電位部）に接続する構成としたため、センサ起電力が発生しない状態でも、バイアス電流抵抗７５によって電流計測抵抗６１のセンサ側端子電圧を所定電圧に保持できる。したがって、こうした起電力未発生の状態でも回路出力が安定し、異常値としてのセンサ起電力を検出できる。

センサセル／モニタセル保護回路部４８において、センサセル３５及びモニタセル３４の各端子電圧である共通端子電圧Ｖｃｏｍ、センサセル端子電圧ＶＳ２及びモニタセル端子電圧ＶＭ２に基づいて異常判定を実施する構成とした（実際には、各端子電圧に基づいて異常判定信号ＳＧ４を出力する構成とした）。これにより、センサ起電力に基づいて素子割れや活性不良、断線等の異常が検出できることに加え、各端子電圧に基づいてセンサセル３５及びモニタセル３４の各電極側の電源ショートやグランドショートの異常も検出できることとなる。

断線等の異常が発生している旨判定された場合に異常判定信号ＳＧ４をハイ信号とし、センサセル／モニタセル駆動回路部４４においてセンサセル３５及びモニタセル３４への電圧印加を停止する構成とした。これにより、異常発生時に各セルへの電圧印加を継続することによるセンサ素子への悪影響を抑制でき、ひいてはセンサ素子の保護を図ることができる。

そもそも微弱電流が流れることを想定しているＮＯｘセンサ回路４０では、各種の異常（特に端子部での電源ショート、グランドショート）が発生するとセンサ素子に過大な電流が流れてしまい、センサ素子の破壊や出力特性の変化が発生するなど悪影響が及ぶ。この点、上記のように異常発生時に各セルへの電圧印加を停止することにより、センサ素子の保護を図ることができる。

異常検出処理（図８）において、センサセル３５（又はモニタセル３４）が温度活性の状態にあること、エンジン始動後においてセンサ素子１０のチャンバ１４，１６内の酸素が十分に排出されていることを条件としてセンサ起電力を検出する構成としたため、センサ起電力を適正に検出することができる。すなわち、センサ素子１０が未活性であること（素子温度が低いこと）に起因する起電力の検出不良や、チャンバ内の余剰酸素が多すぎることに起因する起電力の検出不良を抑制できる。これにより、異常検出の精度を高めることができる。

同じく異常検出処理（図８）において、スイッチ回路６７，７１の開閉切替時に出力安定を待つための待機時間を設けたため、センサ起電力を安定した状態で検出することができ、異常検出の精度を高めることができる。なお、待機処理では、所定時間だけ待機することに代えて、センサ起電力の時間当たりの変化量（変化率）が所定以下となるまで待機するようにしてもよい。

また、Ｉｓ検出回路部４５（又はＩｍ検出回路部４６）において、スイッチ回路７１を閉じた状態で差動増幅回路６６の出力ＶＳ１（又はＶＭ１）によりオフセット補正値Ｆｏｆｆを算出する構成とした。本構成では、ＮＯｘセンサ回路４０においてオフセット誤差が生じている場合において、そのオフセット誤差に相当するオフセット補正値Ｆｏｆｆを好適に求めることができる。また、素子電流が流れない経路上にスイッチ回路７１が設けられているため、前述のとおりスイッチ回路７１によるリーク電流が原因で素子電流計測値に誤差が生じるといった不都合を回避できる。

上記のようにオフセット補正値Ｆｏｆｆを好適に算出でき、かつスイッチ回路のリーク電流を原因とする悪影響を排除できることから、ひいてはＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることができる。また、ＮＯｘセンサ回路４０において温度特性や経時変化を原因として出力誤差が生じ、さらに同出力誤差の変化が生じる場合にも、その出力特性を好適に解消しつつ適正にＮＯｘ濃度を検出できる。

スイッチ回路７１を閉じることで電流計測抵抗６１の両端電位差をゼロとし、その電位差ゼロの状態で差動増幅回路６６の出力ＶＳ１（又はＶＭ１）からオフセット補正値Ｆｏｆｆを算出する構成とした。これにより、ＮＯｘ濃度＝０ｐｐｍでの計測状態における出力ＶＳ１（又はＶＭ１）によりオフセット補正値Ｆｏｆｆを好適に算出することができる。

また、差動増幅回路６２の負帰還部の外に電流計測抵抗６１を設けたため、同差動増幅回路６２の出力（電流計測抵抗６１の反センサ側端子電圧）を制御することが可能となり、電流計測抵抗６１の両端電位差を可変に調整することができる。したがって、電流計測抵抗６１の両端電位差をゼロにすることが可能となる。

センサセル３５及びモニタセル３４の正側電極に共通の駆動回路部４４を接続するとともに、それら各セル３５，３４の負側電極にＩｓ検出回路部４５及びＩｍ検出回路部４６をそれぞれ接続した構成において、Ｉｓ検出回路部４５及びＩｍ検出回路部４６にそれぞれスイッチ回路７１を設け、各検出回路部４５，４６にて取得した電流計測値ＶＳ１，ＶＭ１により各検出回路部４５，４６のオフセット補正値をそれぞれ算出する構成とした。これにより、各検出回路部４５，４６の特性ばらつき（回路誤差）がセルごとに算出できる。したがって、各セル３４，３５の共通の駆動回路部であるセンサセル／モニタセル駆動回路部４４にスイッチ回路を設けた場合と比較して、算出されるオフセット補正値の精度を高めることができる。

センサ出力補正値の算出処理（図６）において、センサセル３５（又はモニタセル３４）が温度活性の状態にあることを条件としてオフセット補正値Ｆｏｆｆを算出する構成としたため、回路出力が安定した状態でオフセット補正値Ｆｏｆｆを精度良く求めることができる。

同じくセンサ出力補正値の算出処理（図６）において、スイッチ回路６７，７１の開閉切替時に出力安定を待つための待機時間を設けたため、回路出力が安定した状態でセンサセル電流計測値ＶＳ１を取得することができ、都度のＮＯｘ濃度値やオフセット補正値Ｆｏｆｆを精度良く求めることができる。なお、待機処理では、所定時間だけ待機することに代えて、ＶＳ１の時間当たりの変化量（変化率）が所定以下となるまで待機するようにしてもよい。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・上記実施形態では、Ｉｓ検出回路部４５において「印加電圧設定回路」を差動増幅回路６２により構成したが（図４参照）、これを変更し、「印加電圧設定回路」を非反転増幅回路により構成することも可能である。図９に示す回路構成について図４との相違点を中心に説明する。共通の構成については同一の符号を付している。なお、図９では、印加電圧設定回路として非反転増幅回路を採用することに伴い、その電圧入力に関する構成を変更している。

図９では、印加電圧設定回路として非反転増幅回路１０１が設けられている。非反転増幅回路１０１の−入力端子は電流計測抵抗６１のセンサ側端子（Ｂ１点）に接続されており、Ｂ１点の電圧は非反転増幅回路１０１の＋入力端子の電圧に保持される。非反転増幅回路１０１の＋入力端子には、スイッチ回路１０２を介して抵抗分圧回路６３の分圧点が接続されるとともに、スイッチ回路７１を介して電圧フォロア６５の出力端子が接続されている。

スイッチ回路１０２，７１は、マイコン４１から入力される回路切替信号ＳＧ２に基づいてＯＮ／ＯＦＦ（開閉）される構成となっており、回路切替信号ＳＧ２がそのまま一方のスイッチ回路１０２に入力されるとともに、反転回路１０３を介して他方のスイッチ回路７１に入力される。本実施形態では、ＳＧ２＝ハイの場合に、スイッチ回路１０２が閉鎖、スイッチ回路７１が開放となり、抵抗分圧回路６３の分圧電圧ＶＸ３が非反転増幅回路１０１の＋入力端子に入力される。また、ＳＧ２＝ロウの場合に、スイッチ回路１０２が開放、スイッチ回路７１が閉鎖となり、電圧フォロア６５の出力が非反転増幅回路１０１の＋入力端子に入力される。要するに、スイッチ回路１０２，７１は開閉時期が逆となる態様で開閉し、それにより非反転増幅回路１０１の入力電圧が変更される構成となっている。

本構成において、通常時にＮＯｘ濃度を検出する場合には、回路切替信号ＳＧ２がハイ信号とされ、センサセル３５の負側端子ＳＳ−に電圧ＶＸ３が印加される。これにより、排気中のＮＯｘ濃度に応じたセンサセル電流Ｉｓが計測される。これに対し、オフセット補正値を算出する場合には、回路切替信号ＳＧ２がロウ信号とされ、電圧フォロア６５の出力ＶＳ２が帰還入力経路Ｌ２を介して非反転増幅回路１０１の＋入力端子に入力される。これにより、電流計測抵抗６１の両端電位差がゼロになり、電流計測抵抗６１に電流が流れない状態となる（電流＝０ｎＡ）。したがって、その時のセンサ出力ＶＳ１によりオフセット補正値を算出できる。また、センサセル端子電圧ＶＳ２によりセンサ起電力の検出も可能となる。

・上記実施形態では、断線等の各種異常が発生している場合に、センサセル／モニタセル駆動回路部４４による電圧印加を停止することでセンサ保護を図る構成としたが、これを他に変更してもよい。具体的には、センサセル／モニタセル駆動回路部４４において、保護抵抗５４を、あらかじめ定めた上限電流（例えばエージング電流）で制限するべく大きな抵抗値（数１００ｋΩ〜１ＭΩ程度）のものとしたり、オペアンプ５２の電流出力を制限しておいたりする。これにより、例えば、センサセル３５の負側端子で電源ショートやグランドショート等の異常が発生しても、同セルに流れる最大電流が制限され、センサ素子の保護を図ることができる。この場合、セル印加電圧が、センサ特性を整えるための電気エージング電圧以下に抑えられる構成であるとよい。

・上記実施形態では、Ｉｓ検出回路部４５において帰還入力経路Ｌ２に素子電流を流さない構成として、電流計測抵抗６１のセンサ側端子と差動増幅回路６２とを電気的に接続する電気経路に電圧フォロア６５を設ける構成としたが、この電圧フォロア６５に代えて非反転増幅回路を設ける構成としてもよい。つまりこの場合、非反転増幅回路と差動増幅回路６２との間の経路（帰還入力経路Ｌ２）にスイッチ回路７１が設けられることとなる。

・上記実施形態では、図２で説明したようにセンサセル電流計測値ＶＳ１とモニタセル電流計測値ＶＭ１とをマイコン４１に入力し、同マイコン４１にて（Ｉｓ−Ｉｍ）値を算出する構成としたが、これを以下のように変更することも可能である。すなわち、例えば差動増幅回路により構成される［Ｉｓ−Ｉｍ］算出回路部を設け、その［Ｉｓ−Ｉｍ］算出回路部に、Ｉｓ検出回路部４５から出力されるセンサセル電流計測値ＶＳ１とＩｍ検出回路部４６から出力されるモニタセル電流計測値ＶＭ１とを各々入力させる。そして、同算出回路部において（Ｉｓ−Ｉｍ）値を算出し、その（Ｉｓ−Ｉｍ）値をマイコン４１に出力する。

・異常検出処理において、センサ起電力に基づいて異常検出するための異常判定値（図８のステップＳ２７の正常範囲）を、チャンバ１４，１６内の残留酸素濃度に応じて可変に設定する構成としてもよい。具体的には、ポンプセル電流Ｉｐにより残留酸素濃度を検出し、その残留酸素濃度が多いほど異常判定値を小さくする。また、検出ガスがリッチガスである場合（残留酸素濃度＝０の場合）には、異常判定値を大きくする。これにより、チャンバ内の残留酸素濃度が増減変化しても、高精度な異常判定を実現できる。なお、ポンプセル電流Ｉｐそのものに基づいて異常判定値を設定することも可能である。

・センサセル電流又はモニタセル電流が規定値よりも低いことを条件として、センサ起電力に基づく異常判定を実行するようにしてもよい。すなわち、断線異常を検出する場合において、センサセル電流又はモニタセル電流が計測されれば、断線異常が生じていないと判断できる。また、センサセル電流又はモニタセル電流が計測されなければ、断線異常が生じていること以外に、活性不良が生じていること、元々電流値が０であること等が考えられる。したがって、センサセル電流又はモニタセル電流が規定値よりも低い場合に異常判定を実行することで、断線異常の特定が可能となる。

・上記実施形態では、センサ素子として、ポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる、いわゆる３セル構造を有するものを適用したが、これを変更しても良い。例えば、センサ素子として、ポンプセル及びセンサセルからなる、いわゆる２セル構造を有するものを適用する。なお、モニタセル（第３セル）を用いる場合に、そのモニタセルが起電力を出力する起電力セルであってもよい。

・検出対象の特定成分がＮＯｘ以外であってもよい。例えば、排気中のＨＣやＣＯを検出対象とするガスセンサであってもよい。この場合、ポンプセルにて排気中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。

・エンジンの吸気通路に設けられるガスセンサや、ディーゼルエンジン以外にガソリンエンジンなど、他の形式のエンジンに用いられるガスセンサを対象とするセンサ制御装置としても具体化できる。そのガスセンサは、排気以外のガスを検出対象としたり、自動車以外の用途で用いられるものであってもよい。

ＮＯｘセンサの素子内部構造とＮＯｘセンサ回路とを示す構成図。 ＮＯｘセンサ回路の概要を示すブロック図。 センサセル／モニタセル駆動回路部の回路構成図。 Ｉｓ検出回路部の回路構成図。 センサセル／モニタセル保護回路部の回路構成図。 センサ出力補正値の算出処理を示すフローチャート。 センサセル電流Ｉｓ、モニタセルＩｍ、（Ｉｓ−Ｉｍ）のオフセット誤差を説明するための図。 センサセル起電力に基づく異常検出処理を示すフローチャート。 別の実施形態におけるＩｓ検出回路部の回路構成図。

符号の説明

１０…センサ素子、１１…固体電解質体、１４…第１チャンバ（ガス室）、１６…第２チャンバ（ガス室）、２３…ヒータ、３１…ポンプセル（第１セル）、３２，３３…電極、３４…モニタセル（第３セル）、３５…センサセル（第２セル）、３６〜３８…電極、４０…ＮＯｘセンサ回路、４１…マイコン（起電力検出手段、異常判定手段）、４４…センサセル／モニタセル駆動回路部、４５…Ｉｓ検出回路部、４６…Ｉｍ検出回路部、４８…センサセル／モニタセル保護回路部（電圧印加停止手段）、６１…電流計測抵抗、６２…差動増幅回路（印加電圧設定回路）、６５…電圧フォロア、６６…差動増幅回路（出力回路）、７１…スイッチ回路（スイッチ手段）、７５…バイアス電流抵抗、１０１…非反転増幅回路（印加電圧設定回路）、１０２…スイッチ回路、Ｌ１…帰還入力経路（第１帰還経路）、Ｌ２…帰還入力経路（第２帰還経路）。

Claims (13)

1. 固体電解質体と該固体電解質体に配置され一対となる電極とを有し、その一対の電極のうち一方は被検出ガスが導入されるガス室に設けられ、他方は大気が導入される大気室に設けられているセンサ素子を備え、前記一対の電極間への電圧印加状態で前記ガス室内における被検出ガス中の特定成分の濃度に応じた素子電流を生じさせるガスセンサに接続されるものであり、
   前記センサ素子の一方の電極に接続され、前記素子電流を計測する電流計測抵抗と、
   前記電流計測抵抗による素子電流の計測結果を素子電流計測値として出力する出力回路と、
   前記電流計測抵抗の反センサ側端子に接続され、前記センサ素子に印加する印加電圧を設定する印加電圧設定回路と、
   を備え、前記印加電圧設定回路による電圧印加の状態で前記出力回路から出力される素子電流計測値により前記特定成分の濃度を算出するガスセンサ制御装置において、
   前記電流計測抵抗のセンサ側端子と前記印加電圧設定回路とを電気的に接続し前記電流計測抵抗のセンサ側端子の電圧を前記印加電圧設定回路の入力部に入力する電気経路が、当該電気経路に電圧フォロア又は非反転増幅回路が設けられることで前記素子電流が流れない経路となっており、
   前記電気経路において前記電圧フォロア又は前記非反転増幅回路と前記印加電圧設定回路との間の経路上に設けられ、当該電気経路を開閉するスイッチ手段と、
   前記スイッチ手段を閉じることで前記電流計測抵抗の両端電位差をゼロにし、その状態で、前記被検出ガス中の酸素濃度に応じて前記一対の電極間に生じる前記センサ素子の起電力を検出する起電力検出手段と、
   前記起電力検出手段により検出した起電力に基づいて前記センサ素子又はセンサ回路の異常判定を実施する異常判定手段と、
   を備えることを特徴とするガスセンサ制御装置。
2. 前記スイッチ手段を閉じた状態で、前記電流計測抵抗のセンサ側端子電圧を前記印加電圧設定回路に対して帰還入力して当該設定回路の設定電圧を前記センサ側端子電圧と同電圧とし、それにより前記電流計測抵抗の両端電位差をゼロにする請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
3. 前記起電力検出手段は、前記スイッチ手段を閉じた状態での前記電流計測抵抗のセンサ側端子電圧により前記センサ素子の起電力を検出する請求項１又は２に記載のガスセンサ制御装置。
4. 前記起電力検出手段は、前記スイッチ手段を閉じた状態で前記センサ素子の正負両方の電極における電圧を計測し、それら電圧計測値の差により前記センサ素子の起電力を検出する請求項１又は２に記載のガスセンサ制御装置。
5. 前記電流計測抵抗のセンサ側端子がバイアス抵抗を介して基準電位部に接続されている請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
6. 前記出力回路の出力を前記印加電圧設定回路に帰還入力させる第１帰還経路と、前記電流計測抵抗のセンサ側端子の電圧を前記印加電圧設定回路に帰還入力させる第２帰還経路とが設けられ、
   前記２つの帰還経路のうち第２帰還経路に前記スイッチ手段が設けられ、
   通常の濃度検出時には、前記２つの帰還経路のうち第１帰還経路のみを導通状態としその第１帰還経路を介して帰還入力される前記出力回路の出力に応じて前記印加電圧設定回路にて電圧設定を行わせる一方、
   前記起電力検出手段による起電力検出時には、前記２つの帰還経路のうち第２帰還経路のみを導通状態としその第２帰還経路を介して帰還入力される前記電流計測抵抗のセンサ側端子電圧に応じて前記印加電圧設定回路にて電圧設定を行わせ、前記電流計測抵抗の両端電位差をゼロとする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
7. 前記印加電圧設定回路は、負帰還部を有するオペアンプを備えて構成され、前記オペアンプの出力側であって前記負帰還部の外に前記電流計測抵抗が設けられている請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
8. 前記センサ素子の各電極に接続される端子部の電圧をそれぞれ計測する端子電圧計測手段を備え、
   前記異常判定手段は、前記起電力による異常判定に加え、前記端子電圧計測手段により計測した各端子電圧に基づいて前記センサ素子又はセンサ回路の異常判定を実施する請求項１乃至７のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
9. 前記異常判定手段により異常発生している旨判定された場合に、前記センサ素子への電圧印加を停止する電圧印加停止手段を備える請求項１乃至８のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
10. 前記起電力検出手段は、前記センサ素子が活性状態にあることを条件として起電力検出を実施する請求項１乃至９のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
11. 前記ガスセンサは、前記センサ素子として各々に固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とよりなる第１セル及び第２セルを有し、ガス室内に導入した被検出ガス中の酸素量を前記第１セルで所定濃度レベルに調整するとともに前記第２セルで第１セルでの酸素量調整後のガスから特定成分の濃度を検出するものであり、
    前記第２セルにて生じる素子電流を前記電流計測抵抗にて計測するものである請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
12. 前記起電力検出手段は、前記ガス室内の酸素濃度が前記所定濃度レベルである低酸素レベルになったことを条件として起電力検出を実施する請求項１１に記載のガスセンサ制御装置。
13. 前記ガス室内の残留酸素濃度を検出する手段を備え、
    前記異常判定手段は、前記検出したガス室内の残留酸素濃度に応じて異常判定値を可変に設定し、その異常判定値と都度の検出起電力とに基づいて前記センサ素子又はセンサ回路の異常判定を実施する請求項１１又は１２に記載のガスセンサ制御装置。

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